基于超级电容储能的光伏充电器

韩伶霞

摘 要：超级电容能够储存电能，因此，将光伏发电设备和超级电容进行有效连接，就能够在超级电容中对电能进行储存。本文设计了基于超级电容的小型光伏充电设备，旨在解决手机等数码产品在人们外出时如何充电的问题。

关键词：超级电容；太阳能；充电器

为了应对越来越严重的能源危机和环境污染问题，全世界的国家都致力于新的能源和节能产品的开发和应用。光伏发电的环保、可再生特性自其发现时就被人们广泛关注。但是，由于太阳电池的制造成本高，连接到网络时的高反转成本和由于光强度的输出导致电压的大的变动，使得太阳光发电技术在当前应用并不广泛。近年来随着新能源储藏装置的发展，超级电容被研发出来，与传统的储能装置相比，超级电容具有高速充电、高速放电、长寿命、耐性良好等特点，因此，在部分领域中超级电容正在逐渐取代传统的储能装置。但是需要注意的是，与铝电解电容器相比，超级电容器内部阻抗很大，不适合AC电路。同时，像能量储藏时间等技术性的颈领也限制其更加广泛的应用。本设计中有效的的将两者进行巧妙结合，取长补短，设计出了能够给手机等电子设备进行户外充电的光伏充电器。

1 设计思路

本设计的基本想法是设计与太阳能发电和超级电容特性相对应的智能控制电路，在阳光下完成储能，在连接充电设备之后，确保其可以对其进行充电。设计过程中，以超级电容器为基础的太阳能电池紧急充电器，划分成太阳能电池供应单元，超级能量储藏单元以及智能控制电路三个单元。在太阳能电池的设计过程中，对各种种类的太阳能电池的性能指标进行了比较，然后结合实际情况选择适当类型的太阳能电池并通过实验选择，根据充电功率和充电速度的要求计算太阳电池的储存能量。在超级电容能量储藏装置的设计过程中，通过大量的实验，通过综合地理解超级电容的主参数和动作性能，根据充电容量和充电速度计算出电流、电压等参数。然后在此基础之上，集合太阳电池单元的不稳定的输出特性以及超级电容储能的特征，设计了对应的电流、电压、匹配电路、过充电保护电路、充电指示电路及其他周边电路，并重点对充电的智能控制电路进行了设计和优化，从而确保该系统能够实现智能化运行。在开关打开之后，设备就会依据电能储存量来选择适宜的模式进入充电模式，并通过外接LED指示灯来对点亮进行显示。在智能充电控制模块的开发和设计中，要能够实现手机的剩余电力的智能检测，然后结合手机电池的剩余电力状况，在3个充电模式（恒流充电、恒压充电以及涓流充电）中进行选择。

除此之外，在设计控制电路时，还要保证在光照充足的情况下光伏电池快速高效的向超级电容充电，以及防止在光照不足的情况下出现超级电容向光伏电池产生反灌电流。同时还要根据目前市场上手机电池的参数设置一个超级电容向手机电池充电的充电控制电路，该电路电压电流必须合适、稳定，在保证能够快速充电的前提下有效延长手机电池的使用寿命。

2 设计过程

2.1 核心器件的选择

目前，市场上各种型号的单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池种类很多，我们经过对各类光伏电池的核心指标进行测试对比，结合应急充电器高速充电的要求，选择了环能效率最高的单晶硅太阳能电池，并综合考虑充电器体积、充电设备电量、充电速度等指标，最终选择了6V5.5W 的单晶硅太阳能电池。该光伏电池转化效率为15%左右，输出电压约为6V，输出电流最高可达900mA，满足本系统设计要求。

在超级电容储能单元的设计过程中，为均衡储能时间和放电速度两大指标，在通过大量实验全面了解超级电容主要参数和工作性能的基础上，本系统采取了6 个单体电压2.7V 电容500F 的超级电容器两两串联、三组并联的混连方式构成储能单元。

2.2 超级电容充电模块设计

为保证光伏电池稳定向超级电容充电，实现光伏电池与超级电容的电压匹配，须将光伏电池输出直流电压转换成值为5.29V 的稳定直流电压。在设计过程中，我们基于开关型集成稳压芯片LM2596，设计了光伏电池与超级电容之间的智能充电控制电路（见图2）.该电路利用旁路电容C1 的储能特性提高输入电压的稳定性；利用电阻R2 和R1 构成分压电路为LM2596 提供反馈信号；利用肖特基二极管D1 实现隔离和前卫保护作用；利用C2 减小输出纹波的作用；电感L1 和肖特基二极管构成反激式降压（back）电路。可以达到3A 的最大输出电路，实现了光照快速储能。

2.4 智能充电控制电路

为实现超级电容输出电压与充电电路输入电压的匹配，我们以电压转换电路TP3605 为核心设计了DC-DC 直流电压变换电路（见图4），该电路还具有过温保护、关断保护、欠压保护、过流保护等保护机制，转换效率可达94%以上。

为充分利用超级电容大电流充放电的优点，我们还基于TP4056设计一款并联大电流充电电路（见图5），该电路可以根据被充电设备的剩余电量选择大电流充电或者浮充充电模式，具有防止倒充的保护功能，我们还根据其充电模式设置了LED 指示灯，以红色LED2 显示充电工作状态，以绿色LED1 显示充电完成工作状态，电阻R4 为热耗散功率电阻。

3 总結

综上所述，在超级电容光伏充电装置设计完成后我们进行了系统集成、仿真调试并制作出了实物模型。在对模型的实测过程中，基本实现了应急充电的预期设计功能。在实测中我们也意识到，虽然超级电容具有充放电速度快、功率密度高等优点，但是目前超级电容还存在能量密度相对较低等缺点，受制于材料等因素，超级电容技术还有待完善。特别是目前市场上的充电管理芯片输入电压范围较小，导致超级电容利用率低；此外，电压变换电路输出电流偏低也导致超级电容大电流充放电的优点无法体现；如果一味提升充电电流，受到锂电池性能的影响又存在一定的安全隐患。这些问题都需要我们进一步的研究解决。此次便携式移动电源的开发设计，是对新型能源和环保储能元件应用的有益尝试，且具有一定的社会实用价值。我们也希望通过该设计，探索一条应对能源危机、解决环境污染问题的技术革新之路。

参考文献

[1]张永贤，潘林.超级电容储能器在光伏发电系统中的应用[J].控制工程，2016，23（7）：997-1000.

[2]李方辉，于海生.光伏超级电容储能系统充放电的哈密顿控制[J].青岛大学学报（工程技术版），2018（2）.

[3]张继红，郝昊达，田玉，et al.超级电容器储能的光伏系统自适应控制研究[J].自动化仪表，2017，38（7）：12-14.

（作者单位：江苏易立电气股份有限公司南京分公司；

身份证号码：320681198903111222）